北航研究生课程_程序语言设计原理教程_第14章

第13章程序的并发性和进程交互原语

前面章节我们已多次提到并行(parallel)命令和并发(concurrent)程序, 但主要是讨论顺序程序。所谓顺序程序是指一个程序作业从起始到终了的每个作业步骤顺次地执行完毕。程序员写程序时就默认有一台顺序执行的机器, 为它排出先后执行的动作步(语句)。然而, 自然界发生的事, 大多数是并行的。只是我们在讨论之中把它孤立和顺序化。这是为了早期计算机昂贵, 一台机器CPU只能顺序地执行, 自然是首先发展顺序计算。在实时控制领域, 即使在早期也无法顺序化。例如, 飞行姿态控制程序, 每时每刻都要计算敌我双方飞机的速度、高度、方向才能决定控制措施。再如, 民航机票发售系统, 各站点售票是同时进行的, 既让乘客随意订座还不许卖重了。这都要求多个计算同时平行地执行, 并协调一致。我们称这种程序为并发程序(concurrent)。显然, 并发的前题是并行(平行, parallel)。然而, 并发和并行的概念在不同文献上也少有出入。本书把“并行”定义为程序可相关或不相关平行执行,有时仅指不相关的平行执行。“并发”执行必然相关。

由于近年硬件成本大幅度下降。网络计算快速发展，用多台机器, 多个CPU完成一个计算是极普通的事。因而原先人为顺序化的顺序计算就没有必要了。而且今后为了利用信息资源, 一上机就上网是应用计算机主流。并发程序设计、并发语言将成为主流。顺序程序倒成了并发的特例。

操作系统本身是一个高度并行的软件，它本身一般是某种高级顺序语言（如C）扩充了一些支持并发进程低级原语，加上汇编语言编写而成的。在这个意义上，这些扩充了低级原语的语言就是并发高级语言。

其它更高层的通信机制是建立在这些低级原语上的模块（相当于该语言的库模块）语言的机制与特征并没有扩充，编译也没有大改动。

完全独立于操作系统，在高级语言内提供全套支持变形程序设计的并发，高级程序设计语言是Ada，因为它要编制机载、弹载的嵌入式程序。这些程序从单板、单片开始，编制监控程序（小O.S ）连用应用程序。这种语言并不多见。

因此，研究并发高级程序设计语言，勿宁说首先研究并发程序设计。搞清了各种并发模型和通信机制再去看已有语言的扩充就很容易理解和实现了。

本章介绍并发程序设计的基本概念。并发程序带来的问题和要解决的基本问题。基于共享变量和基于消息传递的两类并发机制反映了不同物理模型, 它们共同要解决的是对共享变量的互斥访问和进程间如何通信协调。

本章着重介绍概念和术语, 是下章讨论各种并发机制的基础。

13.1 基本概念

并行程序是同时执行两个或多个程序, 在程序执行完之前必然有时间上的重叠。我们知道, 一个程序的一次执行叫做一个进程(process)。研究并发程序首先要了解进程及其相互作用。

13.1.1 程序与进程

源程序经编译、连接编辑成为可执行代码。它们是可执行的“半成品”, 可以作为用户文件寄存于外存。可以作为库文件和系统文件。一旦需要则调入内存, 然后开始执行。进程是个动态概念, 即程序以一组数据的一次执行。我们先看看进程在内存中的执行状态及实现过程。就单个

进程而言, 它有四种状态:

·就绪ready 可执行代码装入内存立即可运行。

·运行running 执行进程。

·阻塞blocked 停止本进程执行, 随时可恢复执行。

·终止terminated 停止, 且不可恢复执行。

除了这四种状态而外, 控制进程的逻辑操作是激活(activating)触发(trigging)和中断(interrant)。所谓激活是创建一个进程并使之进入就绪或立即运行状态。所谓触发是使就绪或阻塞状态转入运行态。所谓中断即使运行的进程转入阻塞或终止态。然而, 这些逻辑操作是机器指令层次上的, 在语言层次上借助于各种原语(primitive)或约定实现。所谓原语是程序语言中定义的例程名。例如, 早期的操作系统低级原语fork和quit就是用来控制进程状态的。一个进程调用fork例程, 则中断本进程创建新的子进程并执行之。一个进程调用qait, 将终止本进程。再如, cobegin…coend或par…end命令, 并发程序的开始执行, 用某种约定自动激活各个进程, 如Ada主控程序开始所有任务均激活。一个进程终止则自动触发阻塞的父进程使之执行。

在更低的实现层次上中断分为外部中断和内部中断(由外部触发和本进程触发)。触发中断后, 调用中断处理器(interrupt handler)例程, 再调用原语例程, 并将原语例程要求创建或终止的例程提交调度器例程, 完成进程控制。其控制流示意图如下:

图13-1 进程执行控制流

我们把一个进程执行中再次创建的进程, 称为子进程。一个进程可多次创建子进程, 一次可创建多个子进程。子进程还可以创建子进程。如果被创建的子进程不分配一套资源则称线程，例如，多CPU机上主进程将大型科学计算并行分配到各CPU，且共享同一内存。如果分配资源，如一般程序进入打印语句，为此要分配打印机、驱动程序资源，则称子进程。

13.1.2 并行程序的模式

进程是程序执行的控制流, 众所周知, 代码执行要加工数据, 与进程执行同时存在的还有一个数据流。根据Flynn的分类法:

·一组可执行代码装入一个机器内存后, 以一个CPU, 一组数据执行一次。它属于SISD 执行模式(即单指令流单数据流的简写)。物理上对应为单处理器的顺序程序。

·一组可执行代码装入后, 可以依次执行多个进程, 它属于SIMD, 单指令流多数据流。对应为单机多处理器的主机或单CPU的分时系统、阵列机组。

·在多机或多处理器上各有自己的可执行代码。协同完成一组数据的计算, 是MISD多指令流单数据流系统。对应为分布数据流机。

·MIMD则为多指令流多数据流系统, 对应为一般分布式系统(有多个不同的处理机,运行各不相同的进程)。局域网和广域网就属于此列。如果网上协同运行一个程序作业, 则为以MIMD 系统实现的并发程序。

这四种模式包括了单机单处理器, 单机多处理器, 同型多机多处理器(阵列机)和分布式多机多处理器(异质机联网)的各种物理实现。MISD一般并发系统不多用, 并发程序主要在SIMD, MIMD上实现。MIMD在实现多机协作计算时又可以分为两类：共享存储和分布式存储。共享存储多用于同类多CPU的单机上，所有CPU处理的进程都共享公共的数据。这样，各进程间因数据共享而紧密耦合。进程间的关系最初是主/奴（master/slaver）式，即OS的核只执行某个’主’处理器（进程），它统管共享数据并派遣任务到各’奴’处理器的进程。优点是设计控制简单，缺点是主进程易成瓶颈。当今最流行的是对称多处理器，即OS的核可以执行任何处理器，每一处理器都是自调度（self-scheduling）的，即从待执行进程表中取出一个执行。它也派送子进程给其他处理器，也接收其它处理器发出来的子进程，故称对称多处理器SMP。并行处理器谱系如图13-2：

图13-2 并行处理器谱系

由于分布式存储是松耦合的计算机群体，它对应为多计算机的簇（cluster），和一组计算机的集合不同之处在于：它们各自的存储是被大家共享的，它们互连，每个计算机只是”整个”计算机中的一个节点，是今后高性能、可伸缩、高可靠性计算机的发展方向。

13.1.3 线程与进程

早期计算机一个进程就是一个执行的线索，它可以和其它进程交替执行，即又开始另一线索。执行一个线索是断断续续的（冻结、就绪、运行、终止态等），完全由OS调遣。一个进程可以看作是OS派送的单元（Unit of dispatching）。此外，进程执行占有资源（数据、设备、CUP的时间片），所以进程又可以看作资源拥有单元（Unit of resource ownership）。后来发现，这两种单元属性是相互独立的。在一个资源拥有单元之下可以派生出多个派送单元，即多线执行。它们同样可以交互，这就是线程。

线程是共享资源的轻量级进程（lightweight process），它也是有线程执行状态，也有其静态存储和局部变量。

传统的OS支持单线程的计算模式。单用户的MS-DOS和多用户的UNIX就是例子，即使UNIX是多线程交互，每一进程之中只有一线程。如图13-3左侧图示。右侧上图，一个进程多个

图13-3 线程与进程计算模式分类

正是由于线程具有进程的所有派送特性。当不涉及资源派送时，线程交互和进程交互是一样的。下文讨论只谈进程交互。

13.1.4 原子动作

并发和抽象一样可以在不同层次研究它。一个数据占据32位, 我们如要拷贝它, 可以从第一位拷贝到第32位。也可以同时拷贝32位(在字位级并发)。一个表达式有若干项, 每项同时计算最后汇总求值(子表达式级并发)。同样并发可以在语句级, 程序块级, 程序单元级, 模块级…。在级以下则认为是原子的, 不再分成子部分并发执行。原子动作是一次“立即”执行完的“顺序”动作。至于是否真正不再分就不一定了。例如, 一般顺序程序的输入/出进程和主进程都是并发执行实现的。如原子动作定义在程序级上, 它们也是“立即、顺序”地执行的。并发的讨论则在此级以上。原子动作在进程内完成, 一个进程可以有多个原子动作(但不得有半个)。

在高级语言层次上, 原子动作一般定义在语句级的事件(event)上。所谓事件, 是本程序表示的状态有了变化。例如, 执行了赋值语句, 作了初始化、调用、终止…当然, 事件也是相对的, 一个语句对数据的加工可以是一个事件, 右干语句的一个循环, 也可以是一个事件。

例13-1 PL/1的多任务

PL/1的并发进程是任务TASK, 它可以定义语句级的事件。P是一个进程, 它并行执行Q进程, 则P进程的正文可以写:

DECLARE X EVENT

:

CALL Q(APT) TASK (X) //激活Q

事件变量X的一次取值表示一事件, 它可取值IN＿EXCEPTION(相当于true)和TERMINATED(相当于false)。当P进程执行到CALL时激活任务Q, 实参表APT和Q的形参表匹配合, Q进程和P进程并行执行。事件变量X调整两进程的同步。X变量是P, Q共享的。

13.1.5 进程交互

并发程序主要是研究进程之间的关系。所谓交互即两进程有数据或操作通信。如甲进程向乙进程发一条消息送给它数据，或触发乙进程中另一操作，这叫直接通信。如果甲进程据有某资源改变了该资源中的数据，以后乙进程也据有该资源，这些改变了的数据对乙进程有了影响，这是共享数据的间接通信。一般说来, 并行进程有三种类型:

(1) 独立进程两进程并行但不相关。

设进程为事件序列, 若有C,K两并行进程, 可表达为C‖K。其中:

C={C1, C2…Cn}

K={K1,K2,…Km}

独立进程是两进程内任何事件Ci, Kj的执行都不依赖对方。因此与进程执行速度无关, C‖K 执行时在时间上可任意复盖, 也可以按C;K或K;C或{C1,C2,K,C3,K2 …Km…Cn}秩序任意交错执行, 均能得到正确结果。

(2) 竞争进程两进程竞争同一资源。

设C, K是两竞争资源的进程, 事件Ci, Kj要使用同一资源r。则必须保证Ci, Kj的互斥访问(matual exclusion), 即两(访问)事件时间上没有复盖, 同一时间只有一个事件据有资源r, 按Ci；Kj或Kj; Ci次序执行均可。我们把据有并加工资源的代码单划出来, 叫做临界段(Critical section)。一般说来, 这段代码是同一个, 所以Ci中有CS, Kj也有CS。显然CS两次执行, 谁先谁后对各自进程计算结果是不一样的。因而C‖K结果不确定。如果推广到多个进程竞争同一资源, 情况更难预料。因为各进程输入的数据只有运行时才知道, 因而, 进入临界段的时间不确定。此外, 为了

:

: loop

入口协议入口协议

临界段临界段

出口协议出口协议

非临界段非临界段

end loop end loop

入口协议一般是按所设共享变量(多为布尔型)判断能否进入, 出口协议则改置正确值。为确保进程的确定性, 利用共享变量“通信”协调。

(3) 通信进程两进程有协议的信息交换。

设C,K定义如前, Ci必须先于Kj(Kj要用到Ci的结果)的执行, 即其它事件先后无所谓, 一定要保证Ci, Kj的执行顺序。对于多个进程则有如UNIX和DOS的管道命令:

C1｜C2｜…｜Cn

规定事件先后。它是通信进程的一种。实现通信的机制有许多种: 同步的、异步的; 单向的, 双向的; 定向的, 广播的。这与环境提供的运行机制和并发语言设计需求有关。也正是程序并发性要研究的问题。我们这里只给出初步概念。

·同步(synchronous)通信指两进程进度各不相同, 但必须同步到达通信点(注意不一定同时, 同时是实时(realtime)程序的概念)。若一方未到, 另一方等待, 直至完成信息交换。交换后各自执行各自进程则为单向同步通信。如果交换后,发送方一直等待接受方执行的结果, 拿回结果后再各自执行自己的进程为双向同步通信。

·异步(asynchronous)通信一般要借助相当大的邮箱。两进程以各自速度执行, 发送方有了信息投入邮箱, 并继续执行自己进程。接受方在认为合适时从邮箱获取信息。一般不竞争邮箱且为单向通信, 当然也可做成双向的。

·定向/广播式通信所谓定向是发送方指明接受方。而广播式通信发送方只向公共信道发送信息, 任何共享该信道的成员均可接受, 所以是异步通信、单向的。

13.2 并发程序带来的问题

一般说来, 顺序程序和并行程序, 与程序执行的速度无关, 软件制售商在任何速度的机器开发出的商品, 可以到其它速度的机器上运行而不影响其结果。并发程序可不这样, 因而, 并发程序是比较难开发,测试和移植的。我们先讨论它带来的新问题。

(1) 速度依赖

并发程序执行结果, 取决于顺序成分进程执行的相对速度。对于并发且有实时(real time)要求的程序, 执行结果还取决于绝对速度。

竞争进程最为明显的, 例如, 一个进程对资源r中的变量x求平方; 另一进程是对x作加一操

作。结果值可能是(x+1)2(后者快、前者慢)或x2+1(前者快后者慢)。显然, 速度依赖导致结果不确定。即使是速度相同的多CPU处理机上, 输入/出设备速度有了小挠动也会影响结果。

并发程序调整相对速度的办法是延迟快进程。把进程挂起来(进入悬置态)待到指定条件满足才唤醒该进程。其基本原语是:

await<表达式> do <语句｜进程>

进程执行到本句, 测试表达式不满足则不作do以后的操作。即用原语await实现条件同步。表达式即条件。

(2) 输入值依赖

同一并发程序两组数据输入可能会有很大差别。因为若有一个判断因值不同跳过一段程序(跳过某个进程)则会打乱原有速度依赖关系。使执行顺序难以预测。使并发程序难于设计、测试、修改，就要更多地依赖软件工程技术, 加强文档管理。

(3) 不确定性

顺序程序两次同样值的测试, 一般情况下都是一致的。即所说的再现。并发程序因上述原因往往没有确定的结果值。对于有副作用的函数或表达式这种先后次序的差异影响则更大。所以, 软件工程对副作用比较谨慎, 并发程序是其原因之一。正是由于并发程序的不确定性。某一系统上测试通过的并发程序到另一系统上通不过。一组输入通过另一组数据通不过。这是常有的事。即使是同一套系统、同一语言处理器, 同样一组输入, 有时结果也不一样。因为这一系统不单运行这一并发程序, 别的作业也会对程序干挠。只有在完全一致的条件下测试结果才可以再现。在个别临界值的情况下, 出现间歇再现, 所以, 并行程序的测试需要高超的技术。

(4) 死锁（deadlock）

死锁是一种状态, 由于进程对资源有互不相兼容的要求而使进程无法进展。表现为:

·受到排斥进程永远访问不到所需资源。

·循环等待进程资源分配链形成一封闭回路。它虽无明显把持，但对资源要求通过一组进程最后还是回到自己，不改为先释放已据资源，只能死锁。

·无占先(no preemption) 进程无法放弃所占的、其它进程需要的资源。所谓占先，只要所据资源的进程未处于使用状态，另一优先级高的进程有了要求，则此资源被后者占去。

·把持(wait and hold) 相互以占有对方资源为放弃已占资源的先决条件。

解决死锁的方法:

到目前为止还无法保证不出现死锁状态。即使采用无死锁的通信和同步机制。因为意想不到的条件出了错也会产生死锁。解决的方法是:

·利用工具作静态死锁检测, 可以避免或减少死锁出现的可能，事前防止。

·或事前, 让进程同时提出所有需要的资源, 消除把持条件, 或强行给资源排序, 按此顺序满足要求, 消除循环等待条件。

·或事前, 为调度程序声明最大的资源需求。少竞争资源死锁可能也小。好的调度程序资源稍大即可避免或少出死锁。

·一旦出现, 最笨的办法是重新启动, 试换数据, 找出原因改正之。这是事后重试解决。

·一旦出现, 找出死锁地点, 夭折某些事件或进程, 自动从死锁状态恢复。显然夭折的损失要求最小。为此, 设置检测点, 一段一段倒转(roll back)查找, 直至段分得最小, 夭折这个最小段。这对实时程序仍不可取。

(5) 死等（starvation）

相互竞争的进程如果都满足进入某一资源条件, 一般采用排队的先来先服务原则。相对最公平, 但有的进程占用一种资源时间过长, 致使其它资源长期闲置。适当地让它等待可以解放很多占时少而重要的进程, 这样更公平。于是, 除了先来先服务而外, 在调度例程中约定或在条件中加入优先级表来达到此目的。调度程序则按此优先级和先来后到统一调度。如果优先级不当就会造成某些进程永远处于阻塞态, 死等(但不是死锁)。死等是不公平调度引起的，解决的办法是在改

变某些进程的优先级, 在公平性和合理性上作某种折衷。

13.3 并发程序的性质

安全性(safety)和活性(liveness)是一般程序均有的性质(程序属性)。所谓安全性是程序在执行期间不会出现异常的结果。对于顺序程序指其最终状态是正确的。所谓活性是程序能按预期完成它的工作。对于顺序程序指程序能正常终止。对于并发程序不仅如此还增加了新解释。

并发程序的安全性还要保证共享变量的互斥访问和无死锁出现。活性指每个进程能得到它所要求的服务; 或进程总能进入临界段; 或送出的消息总能到达目的进程, 活性深深受到执行机构调度策略的影响。

正因为如此, 公平性(fairness)也是并发程序重要性质之一。所谓公平是指在有限进展的假设下没有一个进程处于死等状态。调度策略如能保证每个无条件的原子功能均能执行则称无条件公平性。在具有条件原子动作时, 若条件原子动作能执行并依然保持无条件公平性, 则为弱公平性。条件原子动作一定能执行, 则为强公平性。

13.4 低级并发机制和并发原语

无论程序设计语言上层采取何种机制实现程序的并发, 最底层不外乎创建进程(装入内存、初始化使之就绪); 起动执行; 阻塞(或叫冻结); 停止执行; 阻塞父进程创建子进程; 撤销进程等六种操作。这六种操作更低层的实现是机器指令。例如, 停止和阻塞则利用中断陷井(trap), 在机器指令中填入陷井地址码。利用开关指令从一个进程跳到另一个进程。

原语是包含这些底层指令的例程。由于支持上层不同的并发机制, 原语为了表述方便不同语言原语的差别在于所选组合指令的不同。

例如:

fork/multifork 分股创建多个子进程并执行。

quit/join 合股新创进程回到原进程。

wait(e) 等待e为真进入临界段P操作

signal(e) 示信e为真临界段可执行, V操作

sleep (value) value满足使所在进程阻塞

wakeup(value) value满足使所在进程唤醒(恢复执行)。

cobegin s1‖s2‖…‖sn coend 开始多个进程s1…sn并发执行。

coroutine N 指定协例程N。

resumeM 转入协例程M。

send(Exp) to…将表达式值送至…进程

received(V) from…接受来自…消息, 值由变量V传入。

13.4.1 基于共享变量的同步机制

如前所述, 并发程序中进程交互分两大类, 一为基于共享变量, 一为基于消息传递。本小节先介绍基于共享变量的同步机制。

我们把加工进程共享变量的一组语句叫做临界段(critical section)。竞争进程竞争进入临界段。一旦进入就独享共享变量资源。从安全性而言, 这是必须的。为了竞争进程互斥地访问共享变量。最简单的办法是另设一公共变量指示是否已有进程进入临界段。为此, 早期的并发程序设置入口

协议和出口协议。在协议中设置、判明指示变量的值, 以求保护临界段一个时间只有一个进程进入, 一般形式见13.1.4(2)。那么不能进入的进程就只好跳到循环末端, 再开始一轮循环测试。直至用完此资源的进程在其出口协议中改变了指示变量的值, 它才能进入。该进程据有所有足以运行的资源(占有内存, 得到CPU的执行)周而复始地测试, 实质上是在等待进入临界段。我们把这种等待称为忙等待(busy wait)。

(1) 忙等待

设我们把指示变量叫做lock（锁）, 每次测试临界段是否锁定。竞争进程以测定进入条件(锁)保持协调地进入临界段, 我们说它在语义上保证了条件同步。锁就是条件, 协调就是同步。请注意, 此时未设同步原语。程度员也无法阻塞停止某个进程。如果有多个进程竞争进入临界段, 则每个进程都要轮流测试锁。这就是著名的自旋锁(spin lock), 其算法如下例。

请注意，以下给出的算法描述语言，类pascal_Ada ，不是可运行的某种语言的简化。

例13-2 自旋锁

program SPIN＿LOCK:

var Lock := false;

process P1::

loop

when not lock do ∥条件同步

lock := true; ∥入口协议

临界段;

lock := false; ∥出口协议

P1的非临界段;

end do;

end loop;

end p1;

process P2::

loop

when not lock do

lock := true;

临界段;

look := false;

P2的非临界段;

end do;

end loop;

end P2;

process pn

:

end SPIN＿LOCK

其中lock为共享指示变量。本程序运行时每个进程同时启动。每一进程执行进入loop后首先查not lock只要有一个进程(设P1)进入临界段工作, 它把lock改成true。其它进程不断测试, 均不满足, 跳到循环末端, 周而复始再测。直至P1在临界段工作完将lock改成false, 则其它任何第一个测试为false的进程即可进入临界段。同样, 其余进程一直测试, 均不满足只好等待。

忙等待在实现条件同步上是比较方便的。但不能保证互斥。对于分时系统竞争进程有个时间差还好一点, 如果在多处理器的条件下, 进程严格同时到达, 对资源(临界段的加工对象)的竞争变成对指示变量查询和更改的竞争。要取决于操作系统对公用主存储器的存取访问的排序。如果某进程进入循环且正在更新lock为true期间, 第二个进程又访问了lock(为false), 那么它也进入

临界段。互斥得不到保证。为此, 寻找以忙等待实现互斥同步的算法, 从65年到81年有许多名家(如Dijkstra、Dekker、Knuth、deBruijn、Eisenberg、Peterson等)上百篇论文, 最后peterson的算法(1981)获得满意的解。算法如下:

例13-3 忙等待实现互斥访问

program MUTUAL＿EXCLUSION

Var enter1 : Boolean := false;

enter2 : Boolean := false;

turn : String := “P1”∥或赋初值“P2”

process P1::

loop

enter1 := true; ∥以下三行入口协议

turn := “P2”;

while enter2 and turn = “P2”do skip; ∥跳至循环末端

临界段;

enter2 := false; ∥出口协议

P1的非临界段;

end loop;

end;

process P2::

loop

enter2 := true;

turn := “P1”;

while enter1 and turn = “P1”do skip;

临界段;

enter1 := false;

p2的非临界段;

end loop;

end;

end.

这个算法依然是忙等待, 但用enter1, enter2 turn 三个变量代替例13-2中的lock变量。其作用是保证互斥, 即使P1进入while时, P2更新了enter2, 只要有一点点时间差就可保证互斥。除非绝对一致(此时都在while上反复测试, 谁也进不了临界段。形成死等)。因此一般情况下会保证正常互斥。

这个算法可保证无死锁且公平。任何一个想进入临界段的进程最终都可进入 *就是活性所要求保证的有限进展的假设。即若同步机制是公平的, 则没有一个进程在等待无限长时间才能满足的条件。这个算法很容易扩充到多个进程。Peterson并给出互斥、无死锁、公平性的操作证明。Dijkstra 1981年也给出公理证明。

由于设置了多个变量, 使用忙等待设计的同步并发程序, 比较难读和理解, 作正确性证明也麻烦。再者, 忙等待比较浪费处理时间, 因为在自旋处理周期中完全可以干点别的什么。最后, 忙等待过于低级, 程序员要从同步机制选取一直做到实现测试, 设计起来比较麻烦且易出错。(2) 信号灯

Dijkstra首先理解到忙等待的低级和设计麻烦, 提出了完整的信号灯(semaphores)理论(1968)。

信号灯是一个非负整值变量s。在其上定义了两个操作P, V(取自荷兰语字头, 即wait(等待)和signal(示信))。V操作发信号指示一个事件可以出现, P操作延迟所在进程直至某个事件已经出现:

P(s) : await s>0 do s:= s-1; ∥‘await’表达延迟的表示

V(s) : s := s+1;

P操作的等待(用原语表示), 判断、设置信号量一般看作原子操作, 一气呵成。可用硬件复合指令TS(测试和设置)实现。信号灯变量s, 当只有一个资源时取值{0,1}就够了, 此时称为二值信号灯。当有多个资源时初始化s等于资源数, 这时称通用或记数信号灯。

信号灯可保证进程互斥且公平, 如下例。

例13-4 以信号灯实现的两进程互斥

Program MUTEX＿EXAMPLE;

var mutex : Semaphore := 1;

process P1::

loop

P(mutex); ∥入口协议

临界段;

V(mutex); ∥出口协议

P1的非临界段;

end loop;

end p1;

process p2::

loop

P (mutex);

临界段;

V (mutex);

P2的非临界段;

end loop;

end;

end.

由于P, V均为原子动作, 故可以保证互斥且无死锁。和前述自旋锁对比, 它清楚、简单、对称。由于用原语则不用忙等待在等待期间CPU可干别的事。它们至少在进程正文上是公平的。

P, V操作很容易扩大到n个进程竞争一个临界段。也可以将二值信号灯劈开分别实施同步警卫功能。以下是生产者/消费者著名问题的同步解。

例13-5 生产者/消费者的同步与互斥

program PRODUCER＿CONSUMER

var buf : TYPE; ∥任意类型TYPE

var empty : sem := 1, full:sem := 0; ∥两信号变量初始化

process PRODUCER [i:1.. J]::

loop

PRODUCER[i] 产生一条消息m;

deposit : P(empty); ∥存入消息m的三个操作

buf := m;

V(full);

end loop;

end;

process CONSUMER [j:1..N]::

loop

fetch : P(full); ∥从buf取出消息m的

m := buf; ∥三条操作

V (empty),

CONSUME R[j]消费取出这条消息m;

end loop;

end;

end PRODUCER＿CONSUMER.

本程序有M个生产者, 每位每次生产一条消息, 只要buf空则存入, 否则等待。有N个消费者, 每位每次消费一条消息, 只要buf中有消息(以full标志)则可进入临界段, 取出资源buf上的信息。信号变量full, empty的类型为sem, 是定义的抽象数据类型。

当程序启动时M个生产者和N个消费者同时激活。激活的微观次序由实现定。

将信号变量S一分为二(empty, full)简化了传递方向。称劈分二值信号灯(split binary semaphore)。这个算法保证了互斥,无死锁。

将P, V操作扩充到多进程, 多资源(多个临界段)也是很容易的。例如, 我们可实现q个缓冲区的多生产、消费者问题。其算法如下:

例13-6 多进程的互斥与同步解

program PROD＿CONS

var buf [1...q], mi, mj: TYPE;

var front :=0, rear :=0; ∥buf 的下标变量

var empty : sem :=q , full: sem :=0, ∥辟分二值信号

var mutexD: sem := 1, mutexF: semi=1;

process PROD[i:1..M]::

loop

PROD[i]产生一条消息mi

deposti : P(empty); P(matexD);

buf[rear] := mi;

rear := rear mod q+1;

V(mutexD); V(fall);

end loop;

end;

process CONS [j:1..N]::

loop

fetch: P(full) ; P(mutexF);

mj := buf(front);

front := front mod q+1;

V (matexF) V (empty);

CONS[j]消费消息mi;

end loop;

end;

end PROD＿CONS.

buf的每个元素放一条消息, 它是一个消息队, 装入的消息放在缓冲区尾buf[rear], 消费的消息从缓冲区头buf[front]中取。两组劈分信号, 协议中是两次P,V操作。一组劈分信号管进入临界段(empty, full), 另一组劈分信号管开放的是头还是尾(m ?utexD, mutexF)。

选择互斥是更为复杂的同步机制。不仅多进程, 多资源, 而且某进程只能选定使用某些资源。

用P, V操作也可以实现选择互斥。经典的例子是哲学家就餐问题。

例13-6 五位哲学家就餐问题

一张圆桌坐了五位哲学家, 如图13-2所示。桌上放有一大盆通芯粉, 但只有五把叉子. 而吃通芯粉必须有两把叉子. 一旦据有两把叉子的哲学家就可以吃,否则它只好利用等待的时间思考。如果每人拿一把叉子等待其它人放下叉子, 就产生死锁。

通芯粉当然是共享资源, 但叉子是只有两个哲学家共享的资源。每个哲学家的行为过程即为一进程。第i个进程只和第i和i+1个叉子有关。故算法如下:

program DINING＿PHILO:

var forks [1..5]: sem:= (5*1);

process PHILOSOPHER [i: 1..4]::

loop

P(forks [i]); P(forks[i+1]);

吃通芯粉;

V(forks[i]); V (forks [i+1]);

思考问题;

end loop;

end;

process PHILOSOPHER [5]::

loop

P(forks[1]); P(forks[5]);

吃通芯粉;

V(forks[1]); V(forks[5]);

思考问题;

end loop;

end;

end DINING-PHILO.

图13-2 哲学家就餐问题示意图

以上以信号灯实现互斥同步均隐含使用了await等待原语。事实上多数分时处理的机器, 单主机多处理器的机器是用系统调用并行核(或叫管理程序)实现的。进程创建就绪后将该进程的描述子(descriptor)入队, 即就绪进程表, 等待P 操作的完成。这样, 进程处于就绪或阻塞状态且未运

行。此时P, V操作的语义解释是:

P(s): if s =1 then s:= 0

else 置进程于queue中等候

V(s): if queue != empty then 从queue中消除一进程,令调度程序执行它

else s :=1

无忙等待的实现更通用, 且可用以实现其它上层机制。核的工作原理图如图13-1, 它的主要职责是为进程分配处理器周期。进程在它分配前是阻塞的。当然核例程名, 调用细节因各同步机制和具体机器不尽一致, 但原理是一样的。如果为多处理机或分布式系统写一个核, 就要复杂一些, 就要拿出一个处理器专用于维护就绪表并为其它处理器分配进程。这样, 就绪表的访问成了共享的, 也要保证互斥。于是在就绪表上用忙等待保证互斥。在分布式处理机上, 不仅有一个核管理的就绪表。每个点上都得要有自己的核以维持本机的就绪表, 进程从一个处理机迁移到另一个上, 则置于另一核管理之下, 情况就复杂多了。

13.4.2 基于通信的原语

分布式或网络上由于没有共享主存, 自旋锁、信号灯实现起来都不太方便(上段最后已说明)。网络提供的通信设施是交换消息(message)。这样的系统只能由发送(send)和接受(receive)消息实现进程交互。基于消息的进程交互一般说来, 效率比共享变量的分时或多处理器系统要低。虽然1973年Hanson首先把它用于操作系统。但直到九十年代这类机制的普及应用才成为可行。

消息是信息传递的单元, 按shannon的模型, 信息源借助信道(channel)向信息目标发送消息。信道成了并发进程共享的资源。信道是通信网的抽象, 泛指进程间通信的路径。信道由两个原语访问: send, receive。当某进程向信道发送一消息, 通信就开始了。需要该消息的进程, 从信道上接受(获取)这条消息。数据流也随发送者传递到接受者。同步也就自然实现了, 即不发送没法接受, 发送了必须接受(那怕暂行存放不处理), 否则丢失。

由于信道本身不能存储, 变量只能存放在各个进程中, 因而不能共享地访问，所以也用不着互斥机制。由于只有所在进程能考察变量情况, 条件同步编程与基于共享变量的大不相同。程序也不一定非要在一个处理器上执行, 可以分布在多个处理器上, 分布式程序因而得名。反过来, 分布式程序却可在单主机或多路处理器的(分时)系统上执行。此时把信道改成共享存储就可以了。

(1) 信道与进程

消息传递利用信道和两个原语可以实现不同的通信模式。信道即信息(数据)传递的路径。是网络的抽象。在分布式网络中信道不同的组合可组成四类不同逻辑功能的进程: ·过滤器(filter)进程它是一种数据转移器, 进程接受数据后按需要加工, 然后传出, 如同过滤器滤出需要的数据, 故得名。如果将一系列过滤器首尾相连则形成管道(pipeline)或称流水线信道。每个进程独立激活, 物理上可分布在网络各结点或多处理器的单主机上。典型过滤器进程均设原语:

receive<变量表>from<源进程>

send <表达式_表> to <目的进程>

管道信道在操作系统中是最常见的, 它把每一个设备抽象为进程, 终端—CPU—打印机, 即构成运行一个程序的信道, 三个进程均为过滤器。当验明消息来源无误, 接受原语将表达式表中的值“赋给”变量表。

·客户/服务器进程就分布式网络而言, 它的拓扑是一个异质结点的图。管道通信只是图

上的一条路径。即数据流通过管道跨越各进程。然而就一般图而言, 一个结点可以有多对一, 一对一, 一对多, 多对多的数据流(进程交互)。在实际网络应用中有一类进程即这种情况:客户/服务器,一个客户(client)进程它要求一个或多个服务器(server)进程为其服务, 反过来一个服务器也可以为一到多个客户服务。显而易见, 一个发出服务要求, 一个响应要求后, 完成服务, 回复应答。通信是双向的。客户/服务器每完成一次通信客户方是发送(请求)接收(应答)两次消息传递,服务器方相反是接受(请求)发送(应答)两次消息传递。这里也有隐含先来先服务原则。网络上的文件服务器就是非常典型的例子。

·对等(peer)进程另一类进程是既是客户又是服务器的peer。一组对某进程共同完成(并行地)一个复杂计算。例如, 阵列计算中各结点上的进程都是peer, 它们作相似的部分计算。既发消息, 也接受消息, 协作完成一计算。非阵列式网络上的Peer到Peer的进程交互最能代表网络上通信的一般情况。然而, 由于算法复杂到目前还没有通用的解, 是网络通信追求的最终目标。(2) 两类通信模式

无论是哪种进程, 通信既可按同步也可按异步实现, 所谓同步即两进程都要执行到同步点直接交换数据。所谓异步是两进程谁也不等谁按各自速度执行自己进程, 就完成了数据通信。事实上完全不等待是不可能的, 一个进程执行到reecive如果没有任何进程send, 它只好等待（跳过receive语句再次空循环就是忙等待, 否则阻塞在receive的等待队中)。与此相反, 一个进程执行到send, 它总可以把消息发出去。不是直接发给接受者就是发向信道(哪怕没人接受)。

所以, 判定是否异步只看含send的进程是否阻塞, 等待接受进程的到来。

异步通信的实现, 可以看作在某个进程中附带一无限大的邮箱(抽象说也是信道, 缓冲时间差)。发送者按自己进程执行, 将一条条消息发到邮箱。而接受者在自己合适的时候处理一条条消息各不相扰, 犹如邮递员给居民投信, 可以彼此不见面。如果是服务器它就将结果消息投入邮箱回复到客户。如果邮箱容量为零, 即为同步通信, 则非等不可, “见面”交换信息。至于怎样激活、怎样等、见面后怎样分手, 各种语言有不同的规定。到下一章高层通信机制一节再介绍。

13.5 小结

·并行程序是两个或多个程序执行时, 时间上有覆盖, 并行程序间若共享数据或有数据传递, 即它们是相关的, 称并发程序。

·程序代码的一次执行叫一个进程。研究程序的并行性即研究进程交互。一个进程执行中可处于四种状态: 就绪、运行、阻塞、终止。控制进程状态的操作是激活(创建进程并进入就绪态)。触发(结束就绪进入运行态)、中断(结束运行进入阻塞态)。程序设计语言以这些操作的组合提供原语。

·并行程序的模式有四种: 单指令单数据流SISD; 单指令多数据流SIMD; 多指令单数据流MISD; 多指令多数据流MIMD。并发程序主要研究SIMD, MIMD。

·原子动作是不可再分成并行子部分的计算机动作。它们粒度大小是相对的, 一般以事件(程序的状态有了改变)来定义原子动作。

·进程有三种类型: 独立进程; 竞争进程; 通信进程。竞争资源和进程通信是并发程序研究的两大类问题。

·并发程序和顺序程序的差别在于: 依赖执行速度; 计算结果不确定; 产生死锁; 得不到执行。

·并发程序的基本问题是活性(会不会死锁)公平性(会不会死等)、安全性(会不会出错)。它们也是并发程序的基本性质。

·基于共享变量的进程交互的基本问题是对共享资源的互斥访问和竞争进程间的同步。基于共享变量的进程交互的低级机制有自旋锁和信号灯。

·进程据有运行资源且处于运行中实现的等待称为忙等待。简单自旋锁的忙等待只解决同步

协调不解决互斥。复杂自旋锁不利于编程。

·信号灯提供P, V操作保留临界段, P操作隐含延迟以调整同步。是基于共享变量最基本的机制。可在其上构造任何进程交互的通信机制。

·基于通信的进程可分为四类:

过滤器, 接受消息加工后发送出去。

客户, 发送要求服务的请求, 得到已服务的应答。

服务器, 接受服务请求、服务后给出应答。

等同, 既是客户又是服务器, 也是双向的过滤器。

·基于通信的原语是:

receive <变量-表>from<源进程>

send <表达式-表> to <目的进程>

进程原语匹配实现消息传递。

·异步消息传递, 交互进程间均向信道发/收消息, 彼此可不“见面”。可借助公共邮箱(附在某进程上)实现。

·同步消息传递, 信道邮箱容量为零, 进程必须“见面”。一般利用原语将快进程延迟到同步点实现。

习题

13.1 试述顺序、并行、并发程序之同异。

13.2 试述并发程序的优点、缺点、难点。

13.3 客观世界问题是并发的且能用顺序程序模拟实现, 什么情况下用并发程序什么情况下用顺序程序, 尽你可能讲出理由。

13.4 何谓同步进程交互。是否两进程一定要到同步点?

13.5 怎样判定一个程序是异步通信。

13.6 在有分时的机器上编一程序实现自旋锁程序。

13.7 在有分时的机器上编一程序实现信号灯程序。(语言无此功能, 可利用操作系统命令)。13.8 编一程序, 模拟实现五位哲学家就餐问题, 就餐1000人次或打出死锁信息(语言不限,可利用操作系统命令)。

13.9 分布式网络上进程可分哪四类，能举出这以外的进程型式吗? 举出三个实际问题说明它们是哪种进程型式解最好。

13.10 假定有一个原语start C, 插入程序后可拉出一新进程, 新进程共享原有变量, start以下创建的变量不共享。将以下矩阵求和的顺序程序改成并发程序, 使计算时间尽可能的少。

type Matrix is aray (1..n, 1..n) of Float;

procedure add (a,b : in Macrix;

sum : out Matrix) is

begin

for i in l..n loop

for j in l..n loop

sum (i,j) := a(i,j)+b(i,j);

end loop;

end loop;

end;

在你的设计中有多少个进程并发执行? 什么环境下本并发程序比原顺序程序快? 什么情况下难于判定?

13.11 写出一死锁程序(语言不限)。说明它真是死锁的。

13.12 查阅文献, 写出信号灯的不变式。

北航课程设计大客飞机起落架与机翼连接结构设计及分析

课程设计（说明书）飞机主起落架与机翼连接结构的设计及分析 学院：航空科学与工程学院 专业：飞行器设计与工程 学号： 姓名： 指导老师：何景武 2013年9月29日

目录 一、设计课程题目 (2) 二、研究对象 (2) 三、设计目的 (2) 四、设计要求 (2) 五、原始资料 (3) 六、设计工作内容 (3) 七、设计过程与结果 (3) 1、设计方案的分析 (3) 1.1现有结构类型、特点分析 (4) 1.2设计方案特点——机翼-主起落架连接部位传力分析 (5) 2、结构方案 (10) 2.1结构方案图 (10) 2.2重心分析 (11) 3、强度刚度分析计算 (11) 3.1弯矩分析 (13) 3.2扭矩分析 (15) 3.3剪力及危险部位分析 (16) 4、结论 (19) 八、参考资料 (20)

一、设计课程题目 飞机主起落架与机翼连接结构的设计及分析 二、研究对象 飞机主起落架与机翼连接结构 三、设计目的 课程设计是学生在学完有关理论课程及专业技术课程后的一个重要教学环节。要求学生综合运用有关基础理论、专业知识和实际经验，独立地解决有关飞行器设计专业范围内比较简单的典型性的设计任务，为毕业设计以及毕业后在专业工作解决更全面而复杂的技术问题打好基础。其主要的教学目标是在教师的指导下，独立完成飞机某一部件的结构分析、理论计算、结构设计等工作。培养与锻炼学生综合运用有关的理论知识，分析问题解决问题能力以及计算、实验、绘图等技能。 四、设计要求 (1) 分析飞机主起落架与机翼连接结构在飞机设计中的地位和重要性，主起落架与机翼连接结构的设计特点、功能和主要问题； (2) 分析主起落架与机翼连接结构的载荷情况、使用情况和设计要求； (3) 分析和确定主起落架与机翼连接结构的位置； (4) 进行主起落架与机翼连接结构的分析和设计； (5) 进行结构强度、刚度分析计算 (6) 画出主起落架与机翼连接结构的装配图（注意零件之间的

北航2010-2011年研究生数值分析期末模拟试卷1-3

数值分析模拟试卷1 一、填空（共30分，每空3分） 1 设??? ? ??-=1511A ，则A 的谱半径=)(a ρ______，A 的条件数)(1A cond =________. 2 设 ,2,1,0,,53)(2==+=k kh x x x f k ，则],,[21++n n n x x x f ＝________, ],,[321+++n n n n x x x x f ，＝________. 3 设?????≤≤-++≤≤+=2 1,121 0,)(2 323x cx bx x x x x x S ，是以0，1，2为节点的三次样条函数，则b=________,c=________. 4 设∞=0)]([k k x q 是区间［0，1］上权函数为x x =)(ρ的最高项系数为1的正交多项式族，其中1)(0=x q ，则 ?=1 )(dx x xq k ________，=)(2 x q ________. 5 设???? ??????=11001a a a a A ，当∈a ________时，必有分解式，其中L 为下三角阵，当 其对角线元素)3,2,1(=i L ii 满足条件________时，这种分解是唯一的. 二、（14分）设4 9,1,41,)(2102 3 === =x x x x x f , （1）试求)(x f 在]4 9,41[上的三次Hermite 插值多项式)(x H 使满足 2,1,0),()(==i x f x H i i ，)()(11x f x H '='. （2）写出余项)()()(x H x f x R -=的表达式. 三、（14分）设有解方程0cos 2312=+-x x 的迭代公式为n n x x cos 3 2 41+ =+， （1） 证明R x ∈?0均有? ∞ →=x x n x lim （? x 为方程的根）； （2） 取40=x ，用此迭代法求方程根的近似值，误差不超过，列出各次迭代值； （3）此迭代的收敛阶是多少？证明你的结论. 四、(16分) 试确定常数A ，B ，C 和，使得数值积分公式 有尽可能高的代数精度. 试问所得的数值积分公式代数精度是多少？它是否为Gauss 型的？

北航机械设计课程设计

北航机械设计课程设计

————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期:

机械设计课程设计 计算说明书 设计题目一级圆柱齿轮减速器 自动化科学与电气工程学院ＸXXX班 设计者??XX 指导教师XX ２0１５年５月11日 北京航空航天大学 ? 前言 本设计为机械设计基础课程设计的内容,是学习过机械原理、机械设计、工程材料、加工工艺学等课程之后的一次综合的练习和应用。本设计说明书是对电

梯机械部分相关系统设计的说明。随着社会进步，人们的生活水平的不断提高,高楼大厦已经变得不稀奇，电梯也成为了人们生活必不可少的一部分。 电梯一种以电动机为动力的垂直升降机，装有箱状吊舱，用于多层建筑乘人或载运货物。也有台阶式，踏步板装在履带上连续运行，俗称自动电梯。服务于规定楼层的固定式升降设备。它具有一个轿厢，运行在至少两列垂直的或倾斜角小于1５°的刚性导轨之间。轿厢尺寸与结构形式便于乘客出入或装卸货物。 曳引绳两端分别连着轿厢和对重,缠绕在曳引轮和导向轮上,曳引电动机通过减速器变速后带动曳引轮转动，靠曳引绳与曳引轮摩擦产生的牵引力,实现轿厢和对重的升降运动，达到运输目的。轿厢是运载乘客或其他载荷的箱体部件,对重用来平衡轿厢载荷、减少电动机功率。补偿装置用来补偿曳引绳运动中的张力和重量变化,使曳引电动机负载稳定,轿厢得以准确停靠。 本次设计是使用已知的使用和安装参数自行设计机构形式以及具体尺寸、选择材料、校核强度，并最终确定形成减速器图纸的过程。通过设计,我们回顾了之前关于机械设计的课程，并加深了对很多概念的理解，并对设计的一些基本思路和方法有了初步的了解和掌握。 ? 目录 前言 (3) 第一章设计任务书 (1) 1.1课题题目 (1) 1.2传动方案分析及原始数据 (1) 第二章传动方案的拟定 (1) 2.1整体方案 (1) 2.2 减速器说明 (2) 第三章电动机的选择 (2) 第四章传动系统的运动和动力参数 (4) 第五章传动零件的设计计算和校核 (7) 5.1 闭式齿轮传动设计 (7) 5.2 开式齿轮传动设计 (10) 第六章轴的设计计算和校核 (12) 6.1高速轴的设计与校核 (12)

完整版机械设计课程设计步骤减速器的设计

目录第一章传动装置的总体设计 一、电动机选择 1. 选择电动机的类型 2. 选择电动机的功率 3. 选择电动机的转速 4. 选择电动机的型号 二、计算总传动比和分配各级传动比 三、计算传动装置的运动和动力参数 1. 各轴转速 2. 各轴功率 3. 各轴转矩 4. 运动和动力参数列表 第二章传动零件的设计 一、减速器箱体外传动零件设计 1. 带传动设计 二、减速器箱体内传动零件设计 1. 高速级齿轮传动设计 2. 低速级齿轮传动设计 三、选择联轴器类型和型号 1. 选择联轴器类型 2. 选择联轴器型号 第三章装配图设计 一、装配图设计的第一阶段 1. 装配图的设计准备 2. 减速器的结构尺寸 3. 减速器装配草图设计第一阶段 二、装配图设计的第二阶段 1.中间轴的设计 2. 高速轴的设计 3. 低速轴的设计 三、装配图设计的第三阶段 1.传动零件的结构设计

2.滚动轴承的润滑与密封 四、装配图设计的第四阶段 1. 箱体的结构设计 2.减速器附件的设计 3. 画正式装配图 第四章零件工作图设计 一、零件工作图的内容 二、轴零件工作图设计 三、齿轮零件工作图设计 第五章注意事项 一、设计时注意事项 二、使用时注意事项 第六章设计计算说明书编写

第一章传动装置总体设计 、电动机选择 1. 选择电动机的类型 电动机有直流电动机和交流电动机。直流电动机需要直流电源，结构复杂，价格较高；当交流电动机能满足工作要求时，一般不采用直流电动机，工程上大都采用三相交流电源，如无特殊要求应采用三相交流电动机。交流电动机又分为异步电动机和同步电动机，异步电动机又分为笼型和绕线型，一般常用的是Y系列全封闭自扇冷式笼型三相异步电动机，它具有防止灰尘、铁屑或其他杂物侵入电动机内部的特点，适用于没有特殊要求的机械上，如机床、运输机、搅拌机等。所以选择Y系列三相异步电动机。 2. 选择电动机的功率 电动机的功率用额定功率P ed表示，所选电动机的额定功率应等于或稍大于工作机所需的电动机输出 功率P d。功率小于工作要求则不能保证工作机正常工作，或使电动机长期过载，发热大而过早损坏；功率 过大，则增加成本，且由于电动机不能满载运行，功率因素和效率较低，能量不能充分利用而造成浪费。 工作机所需电动机输出功率应根据工作机所需功率和中间传动装置的效率等确定。 工作机所需功率为：P w, n w――工作机(卷筒)的效率，查吴宗泽P5表1-7。 1000 n 工作机所需电动机输出功率为：F d P w—, n i ——带传动效率；n 2——滚动轴承效率; n n n n n n 3 ――齿轮传动效率；n 4――联轴器效率，查吴宗泽P5表1-7。 电动机的额定功率：P ed=(启动载荷/名义载荷)X P d ,查吴宗泽P167表12-1选择电动机的额定功率。 3. 选择电动机的转速 具有相同额定功率的同类型电动机有几种不同的同步转速。低转速电动机级数多，外廓尺寸较大，质 量较重，价格较高，但可使总传动比及传动装置的尺寸减小，高转速电动机则相反，应综合考虑各种因素 选取适当的电动机转速。Y系列三相异步电动机常用的冋步转速有3000r/min、1500r/min、1000r/min和750r/min，—般多选同步转速为1500r/min和1000r/min的电动机。为使传动装置设计合理，可根据工作机 的转速要求和各级传动机构的合理传动比范围，推算出电动机转速的可选范围，即 n d=(i1i2…i n)n w, n d为电动机可选转速范围，h, i2,…，i n为各级传动机构的合理传动比范围，n w为工作机转速。 工作机转速：n w 60 1000 v d D 查吴宗泽P188表13-2知：i v带传动=2~4 , i单级圆柱齿轮传动=2~5，则电动机转速的可选范围为n d=(2~4) X (3~5) X (3~5) X n 电动机转速推荐选择1500r/mi n 4. 选择电动机的型号

北航飞行器设计与应用力学系.doc

航空科学与工程学院 2016年研究生入学考试复试大纲 一、复试方式：笔试＋面试 二、复试组织： 1、笔试：由航空学院统一组织，考试科目及复试大纲另见《航空科学与工程学院2013年考研复试安排》。 2、口试：以学科专业组为单位，由3-5位硕士生导师组成面试小组（组长为教授），每位考生的面试时间为20分钟。 三、复试流程和评分标准： 1）检查并核实考生面试所必备的个人证件和材料；考生可以提供有助于证明自己背景和能力的相关材料，证件和材料完备是面试的必要条件。 2）考生用英语口述个人基本情况、兴趣等，面试小组老师就考生基本情况提问，考生用英文回答问题。 3）考生朗读一段考场指定的专业外语短文，并口头翻译成中文。 4）面试小组老师就基础理论知识提问，学生用中文回答问题。 5）面试小组老师就专业知识提问，学生用中文回答问题。 面试结束后考生退场，在3-5个工作日后见航空学院网站“招生就业”栏目的“研究生招生”，会通知出学院的拟录取名单，在7层的研究生教学橱窗也会公布。 四、考场纪律 考生准时到达指定的复试考场，遵守考场秩序，尊重考试教师。 五、各学科专业组具体复试内容及参考书： 1、飞行力学与飞行安全系2016年硕士研究生入学复试程序 方式： 由3~6位硕士生导师组成面试小组，每位考生的面试时间为20分钟。 范围： 面试范围包括英语口语能力、专业英语阅读理解能力、专业基础理论知识和专业知识。具体环节如下： 1）对考生学习背景、心理、爱好和志愿等基本情况的了解。 2）考察考生的英语阅读和口头表达能力。

3）基础理论和专业知识面试。基础理论包括自动控制原理、理论力学和材料力学。专业知识包括飞行力学、飞行安全、飞行器总体设计、空气动力学等。 参考书： 基础理论可以选用任何一本考生熟悉的《自动控制原理》、《理论力学》、《材料力学》教材。专业课可以参考《飞机飞行动力学》（熊海泉编）或《飞机飞行性能》、《飞机的稳定与控制》等方面的参考书。 面试流程和评分标准： 1）检查并核实考生面试所必备的个人证件和材料；证件和材料完备是面试的必要条件。2）考生用英语口述个人基本情况、兴趣等，面试小组老师就考生基本情况提问，考生回答问题。 3）读一段指定的专业外语，并口头翻译成中文。 4）面试小组老师就基础理论知识提问，学生回答问题。 5）面试小组老师就专业知识提问，学生回答问题。 6）问答结束后，考生退场，面试老师根据考核要求和面试情况，对考生进行评分。 7）所有考生面试结束后，面试老师根据总体情况，对所有考生进行综合评估和比较，给出面试成绩。 2、人机与环境工程/制冷及低温工程2016年硕士研究生入学复试程序 方式： 由3~5位硕士生导师组成面试小组，每位考生的面试时间为20分钟。 范围： 1）英语阅读和口头表达能力。 2）对考生心理、基本情况的了解。 3）基础理论和专业知识面试。基础理论包括：自动控制原理，理论力学，流体力学；专业知识包括工程热力学，传热学，人机工程，低温制冷。考生可以选择其中1门基础理论和1门专业课作为面试内容，或者是综合知识。 参考书： 可以选用任何一本考生熟悉的《自动控制原理》、《理论力学》、《流体力学》教材。专业课可以选用考生熟悉的《工程热力学》，《传热学》，《人机工程》，低温制冷等方面的参考书。 面试流程和评分标准： 1）检查并核实考生面试所必备的个人证件和材料；证件和材料完备是面试的必要条件. 2）考生用英语口述个人基本情况、兴趣等，面试小组老师就考生基本情况提问，考生回答问题。 3）读一段指定的专业外语，并口头翻译成中文。 4）面试小组老师就基础理论知识提问，学生回答问题。 5）面试小组老师就专业知识提问，学生回答问题。 6) 问答结束后，考生退场，面试老师根据考核要求和面试情况，对考生进行评分。

北航机械设计课设加热炉装料机结构设计总体方案

机械设计课程设计 计算说明书 设计题目：加热炉装料机设计 院系：能源动力学院 学号：10041007 姓名：庞岩 年月日 北京航空航天大学

设计任务书 1、设计题目：加热炉装料机 2、设计要求 （1）装料机用于向加热炉内送料，由电动机驱动，室内工作，通过传动装置使装料机推杆作往复移动，将物料送入加热炉内。 （2）生产批量为5台。 （3）动力源为三相交流电380/220V，电机单向转动，载荷较平稳。 （4）使用期限为10年，每年工作300天，大修期为三年，双班制工作。 （5）生产厂具有加工7、8级精度齿轮、蜗轮的能力。 加热炉装料机设计参考图如图 3、技术数据 推杆行程300mm,所需推杆推力为6000N,推杆工作周期4.3s. 4、设计任务 （1）完成加热炉装料机总体方案设计和论证，绘制总体原理方案图。 （2）完成主要传动部分的结构设计。 （3）完成装配图一张（用A0或A1图纸），零件图两张。

（4）编写设计说明书1份。

总体方案设计 1、执行机构的选型与设计 （1）机构分析 ①执行机构由电动机驱动，原动件输出等速圆周运动。传动机构应有运动转换功能， 将原动件的回转运动转变为推杆的直线往复运动，因此应有急回运动特性。同时要 保证机构具有良好的传力特性，即压力角较小。 ②为合理匹配出力与速度的关系，电动机转速快扭矩小，因此应设置蜗杆减速器，减 速增扭。 （2）机构选型 方案一：用摆动导杆机构实现运动形式的转换功能。 方案二：用偏置曲柄滑块机构实现运动形式的转换功能。 方案三：用曲柄摇杆机构和摇杆滑块机构串联组合，实现运动形式的转换功能。 方案一方案二方案三（3）方案评价 方案一：结构简单，尺寸适中，最小传动角适中，传力性能良好，且慢速行程为工作行程，快速行程为返回行程，工作效率高。 方案二：结构简单，但是不够紧凑，且最小传动角偏小，传力性能差。 方案三：结构复杂，且滑块会有一段时间作近似停歇，工作效率低，不能满足工作周

北航-飞行器总体设计期末整理

1.飞机设计的三个主要阶段是什么？各有些什么主要任务？ ?概念设计:飞机的布局与构型，主要参数，发动机、装载的布置，三面图，初步估算性能、方案评估、参数选择与权衡研究、方案优化 ?初步设计：冻结布局，完善飞机的几何外形设计，完整的三面图和理论外形（三维CAD模型），详细绘出飞机的总体布置图（机载设备、分系统、载荷和结构承力系统），较精确的计算（重量重心、气动、性能和操稳等），模型吹风试验 ?详细设计：飞机结构的设计和各系统的设计，绘出能够指导生产的图纸，详细的重量计算和强度计算报告，大量的实验，准备原型机的生产 2.飞机总体设计的重要性和特点主要体现在哪些方面？ ?重要性：①总体设计阶段所占时间相对较短，但需要作出大量的关键决策②设计前期的失误，将造成后期工作的巨大浪费③投入的人员和花费相对较少，但却决定了一架飞机大约80%的全寿命周期成本?特点（简要阐述） ①科学性与创造性：飞机设计要应用航空科学技术相关的众多领域（如空气动力学、材料学、自动控制、动力技术、隐身技术）的成果；为满足某一设计要求，可以由多种可行的设计方案。 ②反复循环迭代的过程 ③高度的综合性：需要综合考虑设计要求的各个方面，进行不同学科专业间的权衡与协调 3.B oeing的团队协作戒律 ①每个成员都为团队的进展与成功负责 ②参加所有的团队会议并且准时达到 ③按计划分配任务 ④倾听并尊重其他成员的观点 ⑤对想法进行批评，而不是对人⑥利用并且期待建设性的反馈意见 ⑦建设性地解决争端 ⑧永远致力于争取双赢的局面（win-win situations） ⑨集中注意力—避免导致分裂的行为 ⑩在你不明白的时候提问 4.高效的团队和低效的团队 1. 氛围－非正式、放松的和舒适的 2. 所有的成员都参加讨论 3. 团队的目标能被充分的理解／接受 4. 成员们能倾听彼此的意见 5. 存在不同意见，但团队允许它的存在 6. 绝大多数的决定能取得某种共识 7. 批评是经常、坦诚的和建设性的，不是针对个人的 8. 成员们能自由地表达感受和想法 9. 行动：分配明确，得到接受 10. 领导者并不独裁 11. 集团对行动进行评估并解决问题1. 氛围－互不关心／无聊或紧张／对抗 2. 少数团队成员居于支配地位 3. 旁观者难以理解团队的目标 4. 团队成员不互相倾听，讨论时各执一词 5. 分歧没有被有效地加以处理 6. 在真正需要关注的事情解决之前就贸然行动 7. 行动：不清晰－该做什么？谁来做？ 8. 领导者明显表现出太软弱或太强硬 9. 提出批评的时候令人尴尬，甚至导致对抗 10. 个人感受都隐藏起来了 11. 集团对团队的成绩和进展不进行检查 5.飞机的设计要求有哪些基本内容？ ①飞机的用途和任务 ②任务剖面 ③飞行性能 ④有效载荷⑤功能系统 ⑥隐身性能要求 ⑦使用维护要求 ⑦机体结构方面的要求 ⑦研制周期和费用 ⑦经济性指标 11环保性指标 6.飞机的主要总体设计参数有哪些？ ①设计起飞重量W0 (kg)②动力装置海平面静推力T (kg)③机翼面积S (m2) 组合参数④推重比T/W0⑤翼载荷W0 /S (kg/m2) 7.毯式图的 步骤 ①保持推重比不变，改变翼载（x轴变量），获得总重曲线（y轴变量） ②推重比更改为另一个值后确定不变，改变翼载（x轴变量），获得总重（y轴变量）。同时需将y轴向左移动一任意距离。

机械设计课程设计计算说明书1

上海理工大学机械工程学院 课程设计说明书减速箱设计计算 机械四班杨浩0714000322 2010/1/22

设计题目： 设计一带式输送机的传动装置，传动简图如下： 工作条件如下： 用于输送碎料物体，工作载荷有轻微冲击（使用系数、工况系数），输送带允许速度误差±4%，二班制，使用期限10年（每年工作日300天），连续单向 一、电动机的选择 1.选用电动机 1)选择电动机类型 按工作要求和工作条件选用Y系列封闭式三相异步电动机。 2)电动机的输出功率P 电动机所需的输出功率为： P=kW 式中：P w为工作装置所需功率，kW；为由电动机至工作装置的传动装置的总效 率。 工作装置所需功率P w应由机器工作阻力和运行速度经计算求得： P w===1.76kW 式中：为工作装置的阻力，N；v w为工作装置的线速度，m/s。 由电动机至工作装置的传动装置总效率按下式计算： 查《机械设计》表2-4，得：

取0.96，取0.995，取0.97，取0.99，取0.97 则 0.96×0.9952×0.97×0.99×0.97=0.885 所以 P0==1.99kW 3)确定电动机转速 工作装置的转速为： n w=60×=95.5r/min 由于普通V带轮传动比为： i1≈2～4 圆柱齿轮传动比为： i2≈3～5 故总的传动比为： i=i1i2≈6～20 则电动机所需转速为： n=in w≈(6～20)×95.5=(573～1910)r/min 2. 1)总传动比为： i a===9.84 2)分配传动比： I a=i外i内 考虑减速器结构，故： i外=3 ；i内=3.28 3.计算传动装置的运动和动力参数 1)各轴转速 n电=n=940r/min n1==313r/min

机械设计课程设计步骤

目 录
第一章 传动装置的总体设计
一、电动机选择
1.选择电动机的类型 2.选择电动机的功率 3.选择电动机的转速 4.选择电动机的型号
二、计算总传动比和分配各级传动比 三、计算传动装置的运动和动力参数
1.各轴转速 2.各轴功率 3.各轴转矩 4.运动和动力参数列表
第二章 传动零件的设计
一、减速器箱体外传动零件设计
1.带传动设计
二、减速器箱体内传动零件设计
1.高速级齿轮传动设计 2.低速级齿轮传动设计
三、选择联轴器类型和型号
1.选择联轴器类型 2.选择联轴器型号
第三章 装配图设计
一、装配图设计的第一阶段
1.装配图的设计准备 2.减速器的结构尺寸 3.减速器装配草图设计第一阶段
二、装配图设计的第二阶段
1.中间轴的设计 2.高速轴的设计 1 / 25

3.低速轴的设计
三、装配图设计的第三阶段
1.传动零件的结构设计 2.滚动轴承的润滑与密封
四、装配图设计的第四阶段
1.箱体的结构设计 2.减速器附件的设计 3.画正式装配图
第四章 零件工作图设计
一、零件工作图的内容 二、轴零件工作图设计 三、齿轮零件工作图设计
第五章 注意事项
一、设计时注意事项 二、使用时注意事项
第六章 设计计算说明书编写
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第一章 传动装置总体设计
一、电动机选择
1.选择电动机的类型 电动机有直流电动机和交流电动机。直流电动机需要直流电源，结构复杂，价格较高；当交流电动机 能满足工作要求时，一般不采用直流电动机，工程上大都采用三相交流电源，如无特殊要求应采用三相交 流电动机。交流电动机又分为异步电动机和同步电动机，异步电动机又分为笼型和绕线型，一般常用的是 Y 系列全封闭自扇冷式笼型三相异步电动机，它具有防止灰尘、铁屑或其他杂物侵入电动机内部的特点， 适用于没有特殊要求的机械上， 如机床、 运输机、 搅拌机等。 所以选择 Y 系列三相异步电动机。 b5E2RGbCAP 2.选择电动机的功率 电动机的功率用额定功率 Ped 表示，所选电动机的额定功率应等于或稍大于工作机所需的电动机输出 功率 Pd。功率小于工作要求则不能保证工作机正常工作，或使电动机长期过载，发热大而过早损坏；功率 过大，则增加成本，且由于电动机不能满载运行，功率因素和效率较低，能量不能充分利用而造成浪费。 工作机所需电动机输出功率应根据工作机所需功率和中间传动装置的效率等确定。p1EanqFDPw 工作机所需功率为： Pw ?
Fv ，η w——工作机（卷筒）的效率，查吴宗泽 P5 表 1-7。 1000ηw
工作机所需电动机输出功率为： Pd ?
Pw Pw ，η 1 ——带传动效率；η 2——滚动轴承效率； ? 3 2 η η1η2 η3 η4
η 3 ——齿轮传动效率；η 4——联轴器效率，查吴宗泽 P5 表 1-7。DXDiTa9E3d 电动机的额定功率：Ped=（启动载荷/名义载荷）×Pd，查吴宗泽 P167 表 12-1 选择电动机的额定功率。
RTCrpUDGiT
3.选择电动机的转速 具有相同额定功率的同类型电动机有几种不同的同步转速。低转速电动机级数多，外廓尺寸较大，质 量较重，价格较高，但可使总传动比及传动装置的尺寸减小，高转速电动机则相反，应综合考虑各种因素 选取适当的电动机转速。Y 系列三相异步电动机常用的同步转速有 3000r/min、1500r/min、1000r/min 和 750r/min，一般多选同步转速为 1500r/min 和 1000r/min 的电动机。为使传动装置设计合理，可根据工作机 的转速要求和各级传动机构的合理传动比范围，推算出电动机转速的可选范围，即 5PCzVD7HxA nd=(i1i2…in)nw，nd 为电动机可选转速范围，i1，i2，…，in 为各级传动机构的合理传动比范围，nw 为工 作机转速。jLBHrnAILg 工作机转速： nw ?
60 ?1000 ? v πD
查吴宗泽 P188 表 13-2 知：iV 带传动=2~4，i 单级圆柱齿轮传动=2~5，则电动机转速的可选范围为 xHAQX74J0X nd=(2~4)×(3~5)×(3~5)×nw 电动机转速推荐选择 1500r/min
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北航飞机总体设计第2次作业

1、飞机设计的三个主要阶段是什么？各有些什么主要任务？ 答：飞机设计分为概念设计、初步设计、详细设计三个阶段；在概念设计阶段主要解决飞机的布局与构型，主要参数，发动机、装载的布置，三面图，初步估算性能，方案评估，参数选择与权衡研究，方案优化等问题；初步设计阶段进行飞机冻结布局，完善飞机的几何外形设计、完整的三面图和理论外形（三维CAD 模型），详细绘出飞机的总体布置图，机载设备，分系统，载荷和结构承力系统，较精确的计算，（重量重心、气动、性能和操稳等），模型吹风试验；详细设计阶段包括飞机结构的设计和各系统的设计，绘出能够指导生产的图纸，详细的重量计算和强度计算报告，大量的实验，准备原型机的生产。 2、飞机总体设计的重要性和特点主要体现在哪些方面？ 答：飞机总体设计的重要性主要体现在：概念设计阶段就已经确定了整架飞机的布置；总体设计阶段所占时间相对较短，但需要作出大量的关键决策；设计前期的失误，将造成后期工作的巨大浪费；投入的人员和花费相对较少，但却决定了一架飞机大约80%的全寿命周期成本。 其特点表现为：科学性与创造性（应用航空科学技术相关的众多领域（如空气动力学、结构力学、材料学、自动控制、动力技术、隐身技术）的成果）；是一个反复循环迭代的过程；高度的综合性（综合考虑设计要求的各个方面，进行不同学科专业间的权衡与协调）； 3、 Boeing的团队协作戒律有哪些？ 答：1. 每个成员都为团队的进展与成功负责； 2. 参加所有的团队会议并且准时达到； 3. 按计划分配任务； 4. 倾听并尊重其他成员的观点； 5. 对想法进行批评，而不是对人； 6. 利用并且期待建设性的反馈意见； 7. 建设性地解决争端； 8. 永远致力于争取双赢的局面； 9. 集中注意力—避免导致分裂的行为； 10. 在你不明白的时候提问。 4、高效的团队和低效的团队各有什么表现？ 答：高效的团队表现为 1. 氛围－非正式、放松的和舒适的 2. 所有的成员都参加讨论 3. 团队的目标能被充分的理解／接受 4. 成员们能倾听彼此的意见 5. 存在不同意见，但团队允许它的存在 6. 绝大多数的决定能取得某种共识 7. 批评是经常的、坦诚的和建设性的；不是针对个人的 8. 成员们能自由地表达感受和想法 9. 行动：分配明确，得到接受 10. 领导者并不独裁 11. 集团对行动进行评估并解决问题。 低效的团队 1. 氛围－互不关心／无聊或紧张／对抗

2017机械设计课程设计计算说明书模版(带 二级齿轮)

课程设计报告书题目：双级斜齿圆柱齿轮减速器设计 学院 专业 学生姓名 学生学号 指导教师 课程编号 130175 课程学分 2.0 起始日期 封面纸推荐用210g/m2的绿色色书 编辑完后需将全文绿色说明文字删除，格式不变

课程设计报告格式说明： 1.文字通顺，语言流畅，无错别字，电子版或手写版，手写版不得 使用铅笔书写。 2.请按照目录要求撰写；一级标题为一、二、……序号排列，内容 层次序号为：1、1.1、1.1.1……。 3.对于电子版：一级标题格式：宋体，4号，加粗，两端对齐。 4.对于电子版：正文格式：宋体，小4号，不加粗，行距为固定值 20磅，段前、段后为0行；首行缩进2字符；左右缩进0字符。 5.对于电子版：页边距：上2cm，下2cm，左2.5cm、右2cm页码： 底部居中。 6.所有的图须有图号和图名，放在图的下方，居中对齐。如：图1 模 拟计费系统用例图。 7.所有的表格须有表号和表名，放在表的上方，居中对齐。如：表1 计费功能测试数据和预期结果。 8.所有公式编号，用括号括起来写在右边行末，其间不加虚线。 9.图纸要求： 图面整洁，布局合理，线条粗细均匀，圆弧连接光滑，尺寸标注规范，文字注释必须使用工程字书写；必须按国家规定标准或工程要求绘制。

（参考文献范例） 参考文献 （参考文献标题为三号，宋体，加粗，居中，上下空一行） （正文为五号，宋体，行距为固定值20磅,重要资料必须注明具体出处，详细到页码；网上资料注明日期。） 1. 参考文献的著录采用顺序编码制，在引文处按论文中引用文献出现的先后以阿拉伯数字连续编码。参考文献的序号以方括号加注于被注文字的右上角，内容按序号顺序排列于文后。 2. 所引参考文献必须包含以下内容： *引用于著作的———作者姓名﹒书名﹒出版地：出版者，出版年﹒起止页码． 如：［1］周振甫. 周易译注［M］．北京：中华书局，1991. 25. ［2］Clark Kerr. The Uses of the University. Cambridge: Harvard University Press, 1995. 50. *引用于杂志的———作者姓名﹒文章名﹒刊名，年，卷（期）：起止页码． 如：［1］何龄修．读顾诚《南明史》［J］．中国史研究，1998,（3）：16~173． ［2］George Pascharopoulos. Returns to Education: A Further International Update and Implications. The Journal of Human Resources, 1985, 20（4）: 36~38. *引用论文集、学位论文、研究报告类推。 *引用论文集中的析出文章的―― 如：［1］瞿秋白．现代文明的问题与社会主义［A］．罗荣渠．从西化到现代化［C］．北京：北京大学出版社，1990. 121~133．［2］Michael Boyle-Baise. What Kind of Experience? Preparing

机械设计课程设计内容及要求

机械设计课程设计1、机械设计课程设计的性质、任务及要求 课程性质：考查课 设计内容：二级齿轮减速器 需完成的工作： 1）二级齿轮减速器装配图1张 2）零件图2张 3）设计计算说明书1份 设计时间：三周 考核方式：检查图纸、说明书+ 平时考核+ 答辩要求： 1）在教室里进行设计。 2）按照规定时间完成阶段性任务。 3）未经指导教师允许，不得用AutoCAD绘图。4）按照规定的格式和要求的内容书写说明书。 2、课程设计的内容和步骤

1）传动装置的总体设计（周一） ①选择电动机 P电=P工/η 建议同步转速取1000 rpm或1500rpm ②分配传动比 i总=i1i2i链 对于二级圆柱齿轮减速器i1 =1.3~1.4 i2 ③各轴的传动参数计算 P k= P k-1/ηk n k= n k-1/i k T k=9550*P k/n k 2）传动零部件的设计计算（周二） 包括:带传动的设计计算; 链传动的设计计算;齿轮传动的设计计算等,设计方法主要参照教科书。（注意：齿轮传动的中心距应为尾数为0 或5 的整数，故最好选用斜齿传动。 3）装配草图的绘制（周三～下周一） ①轴系零部件的结构设计 初估轴的最小直径；轴的结构设计；轴上零件的选择（如键、轴承、联轴器等）。 ②确定箱体尺寸 按照经验公式确定箱体尺寸。 ③主要轴系部件的强度校核（轴、轴承、键等）。 ④确定润滑方式 ⑤绘制装配草图并确定减速器附件。 4）绘制装配图（0#或1#图纸）（周二～周五） 5）绘制零件图（周一） 6）编写设计计算说明书（周二） 7）答辩（周三～周五）

3、设计计算说明书格式

机械设计课程设计步骤减速器的设计

机械设计课程设计步骤减速器的设计

目录第一章传动装置的总体设计 一、电动机选择 1.选择电动机的类型 2.选择电动机的功率 3.选择电动机的转速 4.选择电动机的型号 二、计算总传动比和分配各级传动比 三、计算传动装置的运动和动力参数 1.各轴转速 2.各轴功率 3.各轴转矩 4.运动和动力参数列表 第二章传动零件的设计 一、减速器箱体外传动零件设计 1.带传动设计 二、减速器箱体内传动零件设计 1.高速级齿轮传动设计 2.低速级齿轮传动设计 三、选择联轴器类型和型号 1.选择联轴器类型

2.选择联轴器型号 第三章装配图设计 一、装配图设计的第一阶段 1.装配图的设计准备 2.减速器的结构尺寸 3.减速器装配草图设计第一阶段 二、装配图设计的第二阶段 1.中间轴的设计 2.高速轴的设计 3.低速轴的设计 三、装配图设计的第三阶段 1.传动零件的结构设计 2.滚动轴承的润滑与密封 四、装配图设计的第四阶段 1.箱体的结构设计 2.减速器附件的设计 3.画正式装配图 第四章零件工作图设计 一、零件工作图的内容 二、轴零件工作图设计 三、齿轮零件工作图设计

第五章注意事项 一、设计时注意事项 二、使用时注意事项 第六章设计计算说明书编写

第一章 传动装置总体设计 一、电动机选择 1.选择电动机的类型 电动机有直流电动机和交流电动机。直流电动机需要直流电源，结构复杂，价格较高；当交流电动机能满足工作要求时，一般不采用直流电动机，工程上大都采用三相交流电源，如无特殊要求应采用三相交流电动机。交流电动机又分为异步电动机和同步电动机，异步电动机又分为笼型和绕线型，一般常见的是Y 系列全封闭自扇冷式笼型三相异步电动机，它具有防止灰尘、铁屑或其它杂物侵入电动机内部的特点，适用于没有特殊要求的机械上，如机床、运输机、搅拌机等。因此选择Y 系列三相异步电动机。 2.选择电动机的功率 电动机的功率用额定功率P ed 表示，所选电动机的额定功率应等于或稍大于工作机所需的电动机输出功率P d 。功率小于工作要求则不能保证工作机正常工作，或使电动机长期过载，发热大而过早损坏；功率过大，则增加成本，且由于电动机不能满载运行，功率因素和效率较低，能量不能充分利用而造成浪费。工作机所需电动机输出功率应根据工作机所需功率和中间传动装置的效率等确定。 工作机所需功率为：w w 1000Fv P η= ，ηw ——工作机（卷筒）的效率，查吴宗泽P5表1-7。 工作机所需电动机输出功率为：w w 321234d P P P ηηηηη==，η1 ——带传动效率； η2——滚动轴承效率；η3 ——齿轮传动效率；η4——联轴器效率，查吴宗

北京航空航天大学飞机总体设计期末试卷1答案

北京航空航天大学飞机总体设计期末试卷1 参考答案 一、填空题………………………………………………………(每空0.5分，共15分) 1. 按照三个主要阶段的划分方式，飞机设计包括概念设计， 初步设计， 详细设计； 其中第一个阶段的英文名称为Conceptual Design。 2. 飞机的主要总体设计参数是设计起飞重量, 动力装置海平面静推力, 机翼面积.相对参数是推重比,翼载荷. 3. 在机翼和机身的各种相对位置中，二者之间的气动干扰以中单翼的气动干扰最小，从结构布置的情况看上单翼，下单翼的中翼段比较容易布置。 4. 对于鸭式飞机而言,机翼的迎角应小于前翼的迎角。 5. 机翼的主要平面形状参数中的组合参数为展弦比， 根梢比（或尖削比、梯形比)。 6. 假设某型战斗机的巡航马赫数为1.3，若使其在巡航时处于亚音速前缘状态，则机翼前缘后掠角的范围应为大于39.7°。 7. 武器的外挂方式包括（列举4种）__________，___________，____________， ____________。 答案：机身外挂、机翼外挂、翼尖悬挂、保形运载、半埋式安装中任意4种。 8. 根据衡量进气道工作效率的重要参数，一个设计良好的进气道应当总压恢复高, 出口畸变小， 阻力低，工作稳定。 9. 布置前三点式起落架时应考虑的主要几何参数包括擦地角，防倒立角，防侧翻角，前主轮距，主轮距，停机角。 二、简答题:………………………………………………………………………( 65分) 1. 飞机总体设计有什么主要特点（需简要阐述）？ 6分 答： 1）科学性与创造性 飞机设计要应用航空科学技术相关的众多领域（如空气动力学、结构力学、材料学、自动控制、动力技术、隐身技术）的成果；为满足某一设计要求，可以有多种可行的设计方案，即总体设计没有“标准答案”。 2）飞机设计是反复循环迭代的过程。 3) 高度的综合性：飞机设计需要综合考虑设计要求的各个方面，进行不同学科专业间的权衡与协调。 评分标准：2分／点，第一点中对“众多领域”的举例不必完全列出。 2. 飞机型式选择的主要工作有哪几个方面? 9分 答：飞机型式选择的主要工作集中到以下几个方面: 1) 总体配平型式的选择； 2) 机翼外形和机翼机身的相互位置； 3) 尾翼的数目、外形及机翼机身的相互位置； 4) 机身形状，包括座舱、使用开口及武器布置等； 5) 发动机和进气道的数目和安装位置，包括燃油的大致装载位置等； 6) 起落架的型别、收放型式和位置。 评分标准：1.5分／点 3. 简述鸭式布局的设计特点 5分 答：

机械设计课程设计计算说明书(样板)

机械设计课程设计设计计算说明书 设计题目：带式输送机的减速器 学院: 班级: 姓名: 学号: 指导教师: 日期：

目录 一、设计任务书···································· 二、传动方案拟定·································· 三、电机的选择···································· 四、传动比分配···································· 五、传动系统运动及动力参数计算······················· 六、减速器传动零件的计算···························· 七、轴及轴承装置设计································ 八、减速器箱体及其附件的设计······················· 九、减速器的润滑与密封方式的选择·················· 十、设计小结····························

一、设计任务书 1、设计任务： 设计带式输送机的传动系统，采用单级圆柱齿轮减速器和开式圆柱齿轮传动。 2、原始数据 输送带有效拉力 输送带工作速度 输送带滚筒直径 减速器设计寿命为5年 3、已知条件 两班制工作，空载启动，载荷平稳，常温下连续（单向）运转，工作环境多尘；三相交流电源，电压为380/220V。 二、传动方案拟定 1.电动机 2.联轴器 3.减速器 4.联轴器 5.开式齿轮 6.滚筒 7.输送带

传动方案如上图所示，带式输送由电动机驱动。电动机1通过联轴器2将动力传入减速器3再经联轴器4及开式齿轮5将动力传送至输送机滚筒6带动输送带7工作。 计算与说明 结果 三、电机的选择 1.电动机类型的选择 由已知条件可以算出工作机所需的有效功率 Kw Fv P w 64.41000 8 .058001000=?== 联轴器效率 滚动轴承传动效率 闭式齿轮传动效率 开式齿轮传动效率 输送机滚筒效率 传动系统总效率 总 工作机所需电机功率 总 由附表B-11确定，满足 条件的电动机额定功率P m = 7.5Kw 2.电动机转速的选择 输送机滚筒轴的工作转速 初选同步转速为 的电动机。 3.电动机型号的选择 根据工作条件两班制连续工作，单向运转，工作机 所需电动机功率计电动机同步转速等，选用Y 系列三相异步电动机，卧式封闭结构，型号为Y132M-4,其主要数据如下： w P w k 64.4= 电动机额定功率选为 7.5Kw 初选1440r/min 的电动机

北航最新-飞行器设计-课程设计报告

飞机带孔蒙皮局部应力优化报告 专业：飞行器设计 学号：39051623 姓名：黄星 指导老师：张铮 2012年9月25日

一、设计课程题目 飞机带孔蒙皮局部应力优化设计 二、研究对象 飞机带孔蒙皮 三、设计目的 综合运用有关基础理论、专业知识和实际经验，独立地解决专业范围内比较简单的具有典型性的设计任务，为毕业设计以及毕业后在专业工作解决更全面而复杂的技术问题打好基础。 四、研究内容 １、矩形板和孔的位置与形状： 设计说明：在一定载荷P下，构件宽度、孔径和空边应力集中系数的关系： 在载荷、板宽和孔径都不变的条件下，沿板构件的纵轴线再打一个孔，孔的位置和孔径大小对原孔孔边应力集中系数的影响；进一步，可以再打第二个孔、第三个孔…再进一步，孔可以不打在纵轴线上，如何设计孔的位置和孔径大小？

２、梯形板形状： 设计说明：当载荷不变，板构件形状改变时(如错误!未找到引用源。所示)，一个孔及多个孔在考虑上述应力集中条件下的设计，其中，板构件的宽端尺寸不变时，窄端尺寸与应力集中系数的关系？

３、双向载荷长圆孔： 设计说明：如板构件受到双向拉力，纵向载荷是横向载荷的2倍（这是机舱段机壳常规的受载情况），原圆孔改为长圆孔（即原圆孔沿横向直径隔开，加入一等宽矩形段，如错误!未找到引用源。所示，这是机窗的基本形式），如何设计孔径和矩形边长，实现长圆孔周边等周向（切向）应力（或基本等切向应力）？ 五、实验环境 ANSYS13有限元分析软件，模拟真实条件的应力状态。 软件所设的各种参数：单元类型：QUAD8NODE183 单元设置：PLANE STRSＷ／ＴＨＫ 设定杨氏模量：E=2*105μ=0.3 板及孔的长度单位为mm应力单位为MPa